その何代目かの孫が、また同じように成長したのでしょうか?この湖の生き物は同じ年に捕獲された

毎年2月2日は、北米の伝統的な祝日「グラウンドホッグデー」です。人々は、グラウンドホッグが自分の影を見ることができるかどうかを観察することによって、春がいつ来るかを予測します。映画『恋はデジャ・ブ』では、主人公のフィル・コナーズがタイムループに閉じ込められています。彼はどんなに努力しても、毎日あの日に戻ってしまいます。

この「幽霊の壁」のような体験は、まるで映画の不条理な設定のように聞こえます。しかし、実は自然界にも同じような現象が存在します。唯一の違いは、主人公が人間ではなく、肉眼では見えない微生物であるということです。今年1月、ネイチャー・マイクロバイオロジー誌に掲載された研究は、米国ウィスコンシン州メンドータ湖で起きたそのような「循環的な物語」を伝えた。

細菌のグラウンドホッグイヤー

メンドータ湖は淡水湖です。ここは四季がはっきりしています。湖は夏には藻で覆われ、冬には凍ります。過去20年間にわたり、科学者グループがここで471個の水サンプルを収集しました。今回、研究チームはこれらのサンプル中の微生物ゲノムを分析し、最終的にこれまでで最も長い自然環境からのメタゲノム（環境中のすべての遺伝物質配列）データセットを構築しました。

データを分析した結果、研究者たちは驚くべき現象を発見した。湖のバクテリアは実際に季節的なサイクルパターンを示していたのだ。春から冬にかけて、ゲノムは変化し続けますが、次の春にはすべてが振り出しに戻ります。これはまるでタイムループに閉じ込められているかのように、毎年続きます。

おそらくあなたは、これがまさに自然界の四季の循環ではないかと思うかもしれません。人間は一年を通して様々な服を着て、新年を迎えるとまた一から始めます。細菌も同じではないでしょうか？しかし、ここで重要なのは時間スケールです。細菌は非常に速く増殖し、1 年で何千世代も経過することがあります。

したがって、このサイクルは個人が経験するサイクルではなく、世代から世代へと人口全体の進化の中で同じパターンが何度も繰り返されます。言い換えれば、あなたはあなたの高祖父母にそっくりで、あなたの高祖父母の高祖父母の高孫はあなたにそっくり、などという感じです。

「同じ年に閉じ込められた」細菌（画像出典：原論文）

さらに驚くべきことは、この現象が個々の細菌にのみ発生するのではなく、広範囲に及ぶことです。研究者らは合計2,855種の細菌を分析し、そのうち80%が同様の季節的なゲノム変化を示していることを発見した。 「細菌群集のこれほど大きな割合がこうした変化を経験したことに驚いた」と、テキサス大学オースティン校の博士研究員でこの研究の主執筆者であるロビン・ローワー氏は語った。 「珍しい例はほんの数例だろうと思っていたのですが、数百、数千例も見つかりました。」

では、なぜ細菌群集はそのような季節的なサイクルを示すのでしょうか?研究者たちは、これはメンドータ湖の四季がはっきりと分かれていることに関係しているのではないかと推測している。同じ細菌であっても、季節によって優勢になる個体が異なる場合があります。夏に適応しやすい菌株もあれば、冬に優れた働きをする菌株もあります。季節が変わると、細菌群集の優勢なメンバーが入れ替わり、動的なパターンが形成されます。

階段を渡る

この季節サイクルに加えて、研究者らは湖の細菌種の20％で長期的なゲノム変化も発見したが、これらの傾向は季節パターンと重なることが多い。さらに、細菌種によって長期的な変化のパターンは異なります。数十年かけて徐々に進化するものもあれば、「一段飛び越える」ように突然変化するもの、また短期間の変化の後にすぐに元の状態に戻るものもあります。

これらの変化パターンの中で、「段階的」突然変異は最も一般的であり、他の 2 つのパターンよりもはるかに多く存在します。例えば、2012 年には、メンドータ湖の多くの細菌のゲノム、特に有機窒素代謝に関連する遺伝子に劇的な変化が起こりました。

これらの細菌のゲノムがなぜ突然変化したのかについては、科学者たちはいくつかの考えられる説明を提案している。一つの理由は異常気象であると考えられます。 2012年、メンドータ湖は異常なほど暖かく乾燥した天候に見舞われ、バクテリアにとって重要な有機窒素源である湖内の藻類の数が急激に減少しました。この重要な栄養源の不足が細菌群集の適応的変化を促した可能性がある。

さらに、種の侵入も理由の一つである可能性があります。

2009 年、メンドータ湖は招かれざる客を迎えた。それは、増殖して水中の低酸素状態を引き起こした可能性のある侵入性動物プランクトン、Bythotrephes cederstroemi である。種の侵入による影響は遅れて現れるため、水域の細菌群集の構成が変化するまでに 3 年かかる可能性があります。研究者らは細菌の1つの変異プロセスのみを詳細に分析したが、他の微生物も同様の適応変化を起こした可能性があると推測している。

細菌ゲノムはそれぞれ異なる変化パターンを示す（画像出典：オリジナル論文）

これまで、科学者がこれほど長い時間スケールで微生物群集の変化を追跡したことはほとんどありませんでした。これらは通常、特定の瞬間に採取されたサンプルに焦点を当てているため、微生物群集の進化の長期的な傾向は、短期的な季節変動によって不明瞭になることがよくあります。この研究では、20 年間の継続的なデータを調査することで、見過ごされてきた深い進化のパターンを明らかにしました。

さらに重要なことは、この研究によって、微生物が時間の経過とともにどのように進化するかについての私たちの理解が変わることです。昔、人々は進化を常に前進させる力として考える傾向がありました。しかし、この研究は進化が必ずしも直線的に進むわけではないことを示しています。時には、微生物界では時間が一連の「転生」を描いているかのように、特定の軌道に沿って循環することもあります。

この研究はまた、興味深い疑問を提起しています。微生物群集の動的な変化は生態学的現象なのか、それとも進化のプロセスなのか？伝統的に、生態学的研究は異なる種間の相互作用に焦点を当てており、進化論的研究は種内の遺伝的変化に焦点を当ててきました。しかし、微生物の世界では種の境界は本質的に曖昧であり、そのため生態と進化の境界線を区別することは困難です。

たとえば、科学者はかつて、個体群競争やニッチの分化を典型的な生態学的現象と見なしていましたが、ゲノムデータから推測される変化に基づく研究であれば、そのような研究は進化として分類されるべきでしょうか?例えば、有機窒素代謝遺伝子の正の選択は一般的に進化のプロセスであると考えられていますが、この変化が異なる表現型を持つ株間の生態学的移行に影響を与える場合、それは生態学に属するのでしょうか、それとも進化に属するのでしょうか?さらに言えば、生態学と進化が同じ時間スケールで起こり、同様の環境圧力によって推進され、微生物種間の境界が非常に曖昧である場合、進化と生態学の間の従来の境界を再考する必要があるのでしょうか?

生態学と進化は同じ物語の異なる章なのかもしれません。そして科学者の将来の研究は、私たちが生命のプロセスをより深く理解するのに役立つでしょう。

参考文献

[1]https://www.nature.com/articles/s41564-024-01888-3

[2]https://phys.org/news/2025-01-lake-bacteria-evolve-clockwork-seasons.html

企画・制作

出典: グローバルサイエンス (ID: huanqiuekexue)

著者: 黄玉佳

編集者：王夢如

校正：徐来林

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